机械系统运动方案设计

机械系统运动方案设计（精选12篇）

机械系统运动方案设计 篇1

热核聚变实验装置 (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST) 的研发是国家“九五”重大科学工程, 该装置是同时具有全超导磁体和灵活冷却结构的超导托卡马克装置[1]。托卡马克第一壁因长期处于高温、高真空、高辐射的环境中, 且受高能粒子撞击而较易损坏。为保证托卡马克设备高效运行, 需快速完成对第一壁的检测和维护任务。

机器人遥操作技术是托卡马克设备远程维护中广泛采用的有效手段之一。为完成大范围高精度的检测任务, 维护机器人往往选用具有超冗余结构的链式机械臂[2,3]。针对冗余结构机械臂这一复杂的控制对象, 运动控制系统需具备较高的实时性与安全性[4]。这是因为:首先, 机械臂作业环境即托卡马克腔, 结构复杂, 为保证作业过程中机械臂不与核心设备第一壁发生碰撞, 运动控制系统需对异常事件具备快速的反应处理能力;其次, 机械臂构型复杂, 关节数目多, 伺服单元与运动控制系统通信数据量大, 为实现高精度控制, 需采用高速实时的数据传输总线以保证系统的实时性;最后, 为保证能对遥操作系统控制指令做出快速响应, 特别是紧急停车等重要控制指令, 运动控制系统需在确定的时间内完成对控制指令的接收和处理。

针对上述问题, 笔者设计了超冗余10-DOF机械臂及其实时运动控制系统。该系统采用Ether CAT通信协议及其分布式时钟技术, 能满足多伺服单元与运动控制系统间高速实时的数据交换。借助QNX RTOS的强实时软件环境和APIC模式下的HPET高精度定时器, 能保证对外部事件做出快速、确定的响应。

1 系统硬件

笔者设计的超冗余10-DOF机械臂运动控制系统硬件结构如图1所示, 该系统主要由AIMB-769工控机、可支持Ether CAT通信协议的Elmo伺服驱动器、Maxon 370356-1391707伺服电机和多摩川17位绝对式编码器组成。

整个硬件系统的设计需遵循轻量化、紧凑化的原则。这是因为当机械臂完全展开时, 其长度在7m左右, 为降低机械臂柔性效应, 需尽可能减少机械臂负重。同时, 由于系统复杂、信号连线多, 为提高系统的安全性与稳定性, 需降低系统连线数目。

为减少连线数目, 设计的运动控制系统与遥操作系统和各伺服单元均仅通过一根CAT 6网线连接, 各伺服单元之间以Ether CAT总线串行相连, 所有控制指令和状态数据仅通过一根网线反馈至运动控制系统。为减轻机械臂负重, 选用了尺寸为73.4mm×46.5mm×35.8mm、重量为106g、最大可提供1.6k W持续驱动能力的Elmo G-SOLWHIL-E系列驱动器。该驱动器提供了6个可编程数字输入、两个可编程数字输出和一个可编程模拟输入。为进一步减少连线数目, 本系统利用可编程模拟输入实现了对机械臂和腔体的温度测量。

因为相对编码器在掉电之后会丢失位置信息, 基于限位开关的寻找零位方式并不适用于该机械臂。又因为机械臂所处环境是非自由空间, 利用限位开关寻找零位的过程可能导致机械臂与环境发生碰撞, 因此笔者选用多摩川17位绝对式编码器, 保证在系统掉电之后机械臂的位置信息依然能被保存。

2 系统软件

为提高运动控制系统程序的可维护性, 降低系统各软件模块间的耦合度, 笔者基于模块化的设计原则设计了如图2所示的运动控制软件系统。该软件系统主要由遥操作通信模块、故障检测与应急处理模块、系统信息检测模块、Ether CAT Master模块和运动控制器模块组成。遥操作通信模块获取控制指令信息并发送至运动控制器模块, 同时将当前系统状态信息和异常信息反馈至遥操作系统;系统信息监测模块获得包括关节位置及速度等在内的状态信息并发送至遥操作通信模块;故障检测与应急处理模块获取系统异常信息并分别送至遥操作通信模块和运动控制器模块;运动控制器模块负责计算出各关节运动指令, 并通过Ether CAT Master模块下发至各伺服关节;Ether CAT Master模块主要负责收、发Ether CAT报文并对报文数据进行基本的解析。各个模块功能相对独立, 耦合度低。

运动控制系统的实时性很大程度上取决于Ether CAT Master模块和系统所依赖的QNX RTOS平台, 为提高运动控制系统的实时性, 必须对它们进行一系列特殊的配置, 以下将分别从两个方面进行介绍。

2.1 Ether CAT Master模块

Ether CAT是由德国倍福自动化有限公司研发的一种开放的实时工业以太网协议。相对于其他常用的现场总线, 如HART、FF总线、Profibus、Modbus、Controlnet及Devicenet等[5], Ether CAT具备更高的实时性和传输效率[6]。另外, Ether CAT具备拓扑结构灵活、构建成本低、同步精度高的特点, 因此笔者选用Ether CAT现场总线作为系统伺服总线。

一个完整的Ether CAT伺服系统由一个Ether CAT Master (以下称主站) 和一个或多个EtherCAT Slave (以下称从站) 组成。主站对硬件没有特殊要求, 只需一个100Mb/s网卡和通用的硬件环境 (如x86工控机) 即可搭建。目前市场上支持Ether CAT协议的从站较多, 而主站相对较少。主站可分为开源主站和商业主站两种, 其中开源主站主要有Igh和SOEM两个, 商业主站主要有德国倍福公司的Twin CAT及Koenig公司的KPA Master Ether CAT等。从站需借助特殊硬件以降低物理层和数据链路层传输延时的不确定性, 本系统选用Elmo伺服控制器作为从站。由于所设计的运动控制系统是基于PC的开放分布式控制系统, 此类系统控制的精度依赖于各伺服单元间的同步性。为提高各伺服单元的同步精度, 笔者借助Ether CAT分布式时钟技术, 将各伺服单元之间的同步误差限制在纳秒级。

2.1.1 Ether CAT网络配置

Ether CAT实时工业以太网主要支持两类通信协议:PDO和SDO, 其中SDO又包括COE、SOE、VOE及EOE等协议。PDO数目不易过多, 否则会加重总线传输负担, 降低系统实时性。在选择待映射的PDO时, 为了降低总线负担, 应尽量避免映射不必要的PDO。对于需要高速实时交互的数据对象, 如期望位置及实际位置等可通过PDO映射将其映射为PDO, 对于那些对实时性要求不高的数据对象, 如最大速度及最大加速度等可通过SDO设置。

利用主站所提供的网络配置工具可以对当前的Ether CAT网络进行配置。笔者配置的用于周期性通信的PDO见表1。Elmo系列伺服驱动器均支持DS402协议, 所有映射的对象在DS402中均有详细的定义, 此处不再赘述。通过表1可以发现, 输入PDO共有4个对象, 输出PDO共有6个对象, 所有对象的数据长度合计为29Byte。考虑到检测机械臂共有10个自由度, 即10个伺服单元, 所以一次周期性通信的数据吞吐量共计290Byte。

Byte

2.1.2 分布式时钟设置

机械臂末端位置的控制精度严重依赖于各伺服单元间的同步性, Ether CAT为从站间的同步提供了一种分布式时钟 (DC) 机制, 该机制可将伺服单元间的同步误差限制在纳秒级。伺服单元的同步误差主要来源于传输延时、各单元与参考时钟间的偏差、本地时钟因时钟信号源的不稳定带来的偏移这3个方面。DC假设伺服单元间的传输延时相同, 通过补偿本地时钟与参考时钟的偏差并在线调整本地时钟偏移, 能够获得纳秒级的同步精度。需要说明的是, 一般默认选择第一个与主站连接的从站的时钟作为参考时钟。

一般地, Ether CAT网络配置工具会提供选择参考时钟和设置同步周期的选项。某些情况下, 仅需要修改同步周期或者参考时钟源而不修改其他网络配置参数, 且考虑到配置工具一般运行于Windows系统上, Ether CAT主站运行于其他实时操作系统上, 网络配置步骤繁琐, 此时仅仅因修改上述参数而重新配置网络没有必要。针对此类情况, 用户可直接对生成的网络配置文件ENI.xml进行修改。

2.2 QNX RTOS环境设置

运动控制系统对实时性的要求决定了其与实时操作系统存在密不可分的关系。QNX RTOS作为一款真正意义的具有微内核结构的实时操作系统, 在网络通信、中断延时、线程切换时间及最高中断率等关键指标上均优于Vx Works、Win CE和各类实时Linux操作系统[1,7]。因此笔者选择QNX6.5.0作为运动控制系统的实时操作系统平台。

由于Ether CAT主站也运行于QNX RTOS之上, 且主站对定时周期的稳定性有更严格的要求, 传统的可编程计数器 (8254 PIT) 难以提供高于4k Hz的稳定定时周期, 因此需采用更先进的高精度定时器HPET。但是HPET运行在APIC模式下, 而QNX默认运行于PIC模式下, 因此为了使能HPET, 需修改系统所使用的工控机板级支持包 (BSP) , 并在运动控制系统程序中修改对应的定时器中断索引号。经测试, 8254 PIT可提供最小步长为29.333μs的定时周期, 而HPET可提供最小步长为10μs的定时周期。通过上述设定能改善运动控制系统运行环境的实时性。

3 实验

为验证所设计运动控制系统的有效性, 采用如图3所示的实验系统。该实验系统由遥操作系统 (三维仿真系统) 、运动控制系统和10轴Elm测试箱组成。该实验系统利用10轴Elmo测试箱来模拟10-DOF检测机械臂, 以验证运动控制系统的有效性。

实验流程为:操作人员通过三维仿真系统下达期望的正弦波位置运动指令, 运动控制系统接收并解析该指令, 将关节位置分别下发至各个Elmo驱动器。三维仿真系统与运动控制系统的通信周期为2ms (基于libpcap实现) , 运动控制系统与伺服驱动器以Ether CAT实时工业以太网相连接, 设置PDO同步周期为250μs, 单次PDO通信数据吞吐量为290Byte。通过记录两次PDO数据的发送时间间隔, 可测试在高速实时数据交换的情况下, 运动控制系统伺服周期的时间抖动情况, 如图4所示。记录下的Elmo测试箱第9、10两个关节的位置跟踪曲线和跟踪误差曲线如图5、6所示。

通过图4可以得出, 当将PDO数据同步周期设置为250μs时, 运动控制系统伺服周期的波动主要在±2μs之间, 且最大值不超过9μs。通过图5、6可以看出, 各关节可快速准确地跟踪期望位置曲线, 关节9的最大跟踪误差为0.000 2rad, 是期望位置的0.48‰;关节10的最大跟踪误差为0.000 1rad, 是期望位置的0.98‰, 两个关节的动态跟踪误差均较小。通过该实验, 验证了所设计的运动控制系统的有效性。

4结束语

针对托卡马克第一壁高稳定、高安全的检测需要, 借助于QNX RTOS优异的实时特性、EtherCAT高效的数据传输机制和分布式时钟高精度的同步策略, 设计并实现了一种实时运动控制系统。该系统具备传输数据量大、实时性高、连线简单的特点。通过实验, 证明了该系统具备微秒级的实时特性, 且能实现快速精确的控制。

摘要：针对托卡马克第一壁高稳定、高安全的检测需要, 设计并实现了一种实时运动控制系统, 给出了该系统的软、硬件设计方案。该系统作为连接遥操作系统与各伺服单元的中间系统, 一方面需接收来自遥操作系统的控制指令, 另一方面要完成对控制指令的解析, 并将解析后的运动指令下发至各伺服单元。基于Ether CAT实时工业以太网的现场总线通信网络可将伺服控制周期提升至微秒级;基于强实时环境QNX RTOS的软件设计, 能有效保证系统的实时性。通过实验验证了所设计运动控制系统的有效性。

关键词：实时运动控制系统,机械臂,托卡马克第一壁,EtherCAT,现场总线,QNX RTOS

参考文献

[1]何诗英, 傅鹏, 杨亚龙.基于QNX的EAST极向场电源现场层实时控制的设计与实现[J].化工自动化及仪表, 2012, 39 (1) :44~47.

[2]Peng X B, Song Y T, Li C C, et al.Conceptual Design of EAST Flexible In-vessel Inspection System[J].Fusion Engineering and Design, 2010, 85 (7) :1362~1365.

[3]Gargiulo L, Bayetti P, Bruno V, et al.Operation of an ITER Relevant Inspection Robot on Tore Supra Tokamak[J].Fusion Engineering and Design, 2009, 84 (2) :220~223.

[4]Keller D, Bayetti P, Bonnemason J, et al.Real Time Command Control Architecture for an ITER Relevant Inspection Robot in Operation on Tore Supra[J].Fusion Engineering and Design, 2009, 84 (2) :1015~1019.

[5]汪升.现场总线技术在选矿厂的应用[J].化工自动化及仪表, 2013, 40 (8) :996~999.

[6]王磊, 李木国, 王静, 等.基于Ether CAT协议现场级实时以太网控制系统研究[J].计算机工程与设计, 2011, 32 (7) :2294~2297.

[7]Siciliano B, Khatib O, Groen F.Robotic Systems for Handling and Assembly[M].Berlin:Springer, 2011:193~212.

机械系统运动方案设计 篇2

机械臂运动路径规划的算法设计

我们对题目中所给的特定的六自由度机械手臂设计一整套通用的算法.让它能够实现点到点移动,有障碍的曲线跟踪,和避障点对点移动三种基本功能.并能自动生成控制台所需要的指令序列,最后我们会对模型的.适用范围和准确性进行评价.

作 者：朱猛 邓国兴 姜宇 ZHU Meng DENG Guo-xing JIANG Yu  作者单位：华南理工大学,计算机科学与工程学院,广州,510006 刊 名：数学的实践与认识  ISTIC PKU英文刊名：MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY 年，卷(期)：2008 38(14) 分类号：O1 TH12 关键词：齐次坐标变换   避障问题   路径规划   曲线跟踪   人工势场   机械优化设计  

机械系统运动方案设计 篇3

【关键词】冲压模具设计；机械运动；控制；灵活运用

1.引言

机械运动贯彻于冲压的全过程，机械运动在冲压过程中起到了重要的作用。而在冲压工艺运用的过程中，都会伴随有专门的运动机理，而这种运动机理与模具之间息息相关。可以说，无论何种形式的模具其在进行结构设计的过程中，都是要根据特定的运动机理标准来进行设计，如果模具结构设计的标准能够符合运动机理的要求，就能够有效的提高冲压件的质量，而如果模具结构设计的标准不能够满足运动机理的需求吗，则就会使得冲压件的质量大打折扣，因此，需要对模具设计中的机械运动进行有效的控制，以保障冲压件制作的品质。

2.冲压过程中机械运动的概述

在冲压的过程中，会将不同类型的板料以及各种坯料进行有效的分离和变形，从而使得其形成预想中的零件。冲压所利用的工具主要是模具以及冲压设备，冲压的工作原理为利用模具以及冲压设备对板料以及坯料进行压力的施加，使得板料以及坯料出现变形，最后形成尺寸、形状以及性能都符合机械需求的零件。在生产的过程中，通常都会采用的设备为立式冲床，而在冲压的过程中，主要的冲压运动方式就是上下运动和相互运动。

就机械运动来说，其贯穿于冲压过程的始终，然而由于机械运动形式的不同，冲压也会有所不同。另外，在不同的冲压中有着不同的机械运动形式而且数量也相对较多，这就决定了在对冲压模具进行设计的过程中，需要根据机械运动间所产生的不同作用力，对机械运动进行有效的控制，从而保障冲压模具设计的合理性和有效性。另外，在对冲压模具设计的过程中，还需要依据实际的情况，来对各种类型的机械运动进行操作和管理，从而使得生产的产品能够符合实际的需求。

就冲压的运动情况来说，其中主要采用的运动类型就是上下运动。然而，这种运动形式的应用也需要依据情况而定，在模具中进行斜楔结构以及转销结构设计的过程中，这些结构都不适宜采用上下运动的方式，因此，需要将这些结构的主运动方式转变为水平运动形式，而且转换一定要在模具中进行，在模具中实现对运动方式的转变。一般而言，在对模具进行设计的过程中，总会遇到较为复杂的结构类型，这些结构由于设计复杂，所涉及的内容也较多，因此，需要花费较多的财力以及物力，才能够有效保障模具设计的合理性。虽然，这些复杂结构在成本上相对来说较高，但是其能够对产品的形状以及尺寸都能够进行有效的规定，從而使得生产的零件符合实际的需求，从这点上来说，这些复杂结构也具有着一定的应用价值。

3.冲裁模具中机械运动的控制和运用

在冲裁工艺中，其所具有的基本运动通常都是将卸料板与板料进行最先接触处理，并将卸料板与板料之间进行压实处理，然后将凸模进行下降，直至其与板料相接处后，停留一会使其充分与板料接触后，然后再将对凸模进行下降处理，最终使得凸模降到凹模中，在下降的过程中，凸模、凹模以及板料之间会因为相对运动的关系，而使得板料出现分离的现象，进而凹模与凸模之间也会出现分离，在利用卸料办将工件或者是产生的废料从凸模上分离出来，在这一些列的运动都结束之后，也就意味着冲裁运动的结束。在冲裁运动中，最需要注意的就是卸料板运动，卸料板运动情况的好坏会直接影响到冲裁质量的优劣，因此，需要对卸料板的运动情况进行有效的把控，尽可能的保障其能够先于板料进行接触，然后要注重保障可以更好的进行压实处理，以保障冲裁工件切断面的质量，使得冲裁工件尺寸的精确度可以有效的得到提高，并且保持工件表面的平整度，使得模具的使用寿命可以延长。

针对在部分区域具有明显突出情况的冲压件，要想使得其这些冲压件的质量得到保障，就需要在相应的凹模上进行加设压型凸模处理，另外，还要注意为其配置相应的弹簧力，从而使得凹模上所设置的压型凸模可以最先与板料进行接触，提高压实的力度，使得板料实现变形的目的。然后利用虫孔运动对落料进行处理，在这时候，为了能够有效的降低资金的投入，就需要根据实际情况，适当的取消一个模具，从而保障局部凸起的冲压件能够保证质量。

在一些弯曲冲压件上的孔会对孔位的精确度有着更高的要求，针对这些冲压件，要想使得其孔位的精确度得到有效的保障，就需要对其进行斜楔结构的设计，在设计的过程中，要注意保障弯曲度，然后在进行冲孔处理，从水平方向出发进行冲孔运动，这样可以使得孔位保持在最佳的位置。

4.弯曲模具中机械运动的控制和运用

在弯曲模具中的机械运动，其运动的步骤主要是先将卸料板与板料之间进行有效的接触，然后再进行压实处理，将凸模下降到板料的位置，与板料之间充分接触之后，再将凸模下降到凹模中，这样就会产生相对运动，在相对运动的影响下，板料就会应运动关系的影响而出现变形弯曲的现象，在这一步骤完成之后，再将凹模与凸模进行分离处理，然后利用已经出现弯曲效果的凹模上的顶杆将弯曲的边推出来，从而就可以结束弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的，为了保证弯曲的质量或生产效率，必须首先控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力一定要足够，否则弯曲件尺寸精度差，平面度不良；其次，应确保顶杆力足够，以使它顺利地把弯曲件推出，否则弯曲件变形，生产效率低。

值得一提的是，对于有些外壳件，如电脑软驱外壳，因其弯曲边较长，弯头与板料间的滑动，在弯曲时，很容易擦出毛屑，材料镀锌层脱落，频繁抛光弯曲冲头效果也不理想。通常的做法是把弯曲冲头镀钛，提高其光洁度和耐磨性。

5.结语

总而言之，机械运动贯穿于冲压过程的始终，其与冲压有着密切的联系。冲压工艺都需要遵照一定的机械运动原理，而这种机械原理与冲压模具之间有着密切的联系。为了能够使得模具设计更加合理，就需要对相关的机械运动进行有效的控制，使得冲压件的质量得到提升，另外，为了能够使得产品的尺寸和形状符合实际的需求，就需要对相关的模具工艺运动模式进行有效的创新和发展，从而推动模具设计可以更为灵活的应用相关的机械运动。

参考文献

[1]谢云，慈龙尚，龚伟权，何振华.浅谈冲压模具设计中开源性与节流性成本控制[J].物流技术，2010（12）.

[2]王晓雷.机械运动控制在冲压模具设计中的运用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2008（10）.

机械系统运动方案设计 篇4

瓦里安TRILOGY直线加速器是目前较为高端的放射治疗设备[1],其机械运动系统主要包括钨门、 小机头、机架和治疗床,其作用是使特定形状的辐射束从靶区表面的多个方向射入,对肿瘤进行精确治疗[2]。该系统在治疗过程中使用频繁、易发故障,根据我院3 a来的维修记录统计,其故障约占总故障的23.77%。本文对该系统的故障按类分析,探讨降低故障率的可能性。

1整体介绍

机械运动系统包括供电单元、电子柜(console) 控制单元、位置检测单元和机械传动机构。供电单元位于机座内,120 VAC电源经变压器和整流桥分别输出100和27 VDC。100 VDC供机架电动机和治疗床升降电动机使用,27 VDC经辅助电子柜的脉冲宽度调制板(pulse wicltyh mollulate PCB,PWM PCB)调制后给其他电动机(钨门、小机头、治疗床横向和纵向运动)供电[3]。电子柜控制单元是机械运动系统的中枢。我院在使用该加速器3 a来供电单元未出现故障,表明该模块设计成熟、元器件性能稳定。

2位置检测单元

2.1整体介绍

位置检测单元是指与每个运动部件联动的2个电位器(主电位器PRO和次电位器SPRO)提供双重电压信号经console模数转换为相应的位置信息,是机械运动系统的多发故障点。2个电位器的阻值均为10 kΩ,供电电压为+10、-10 VDC。瓦里安公司在2013年将位置检测单元全面升级,升级后的PRO电压信号和SPRO电压信号极性相反,不再允许并联旁路,从而在更深层次意义上符合美国食品药品监督管理局关于放疗设备必须提供双重位置信息验证的规定。正常情况下,2个抽头电压信号的绝对值应近似或完全相等,差值不宜超过0.05 VDC。

2.2故障一

2.2.1故障现象

机器在切换至下一照射野时报“HWFA联锁”, 所有运动部件无法运动。

2.2.2故障分析与检修

HWFA联锁常为电位器一般性故障,可以通过加速器communications界面中的Event Logs查看是哪个运动部件引起的故障。如系机架报错,先在维修界面(SERVICE MODE)通过“override interlock”选项旁路HWFA联锁后再转动机架,通常可继续使用。 如果依然报错,用万用表测量2个电位器的抽头电压值,如若偏差过大,应更换电位器,更换时将机架转至0°,抽头电压调至0 V再做校准最为便捷。由于电位器属于易耗品,且机器对其线性标准要求较高, 故多数故障系电位器失灵导致。

2.3故障二

2.3.1故障现象

机架旋转至120°附近时突然停止并报“HWFA联锁”,旁路联锁后转至其他角度时正常,再转回120°又报此联锁。

2.3.2故障分析与检修

首先查看电位器是否松动、焊点是否牢固,如果均正常,则考虑是否为机架旋转时位于其内部的电缆扭曲牵拉导致线芯断路或与地短路,无法为console提供反馈信号。查阅相关电路图,分段测量电压信号,可知该故障系W14a电缆相关信号缺失导致。将电缆内的空置线芯与报错线芯互换,故障即可排除。

3电子柜控制单元

3.1整体介绍

电子柜控制单元包括电动机接口板、模数转换控制板、信号控制板、输出接口板等多块电路板,其作用是:(1)将来自手控器、床旁控制器、操作键盘或计划系统的使动信号经过一系列的变换用以控制电动机和刹车;(2)将位置检测单元提供的反馈值转换成角度值或距离值,并使其在显示器上得以显示。在弧形治疗方式下,电子柜控制单元还需要根据反馈值对电动机进行实时控制[4]。

3.2故障一

3.2.1故障现象

治疗过程中机器在切换至下一照射野时报 “HWFA联锁”,Event Logs提示机架2个电位器数值不一致。

3.2.2故障分析与检修

用万用表测量2个电位器的电压信号均正常, 依电压信号走向穿过机架后在机柱母板(stand mother PCB)上的测量结果亦正常。查阅相关电路图,可知故障发生在console中的概率较高,用替换法将电动机接口板(motor interface PCB)更换后,故障排除。电压信号并非全部经过电动机接口板进行模数转换,治疗床升降、纵向及其旋转的信号经由仪表接口板(meter interface PCB)转换。

4机械传动机构

4.1整体介绍

该机的机械传动机构不尽相同。上钨门为齿轮和齿轮条导轨,下钨门为齿轮、连动杆以及滚珠丝杆,治疗床升降方向为滚珠丝杆,水平方向为齿轮和皮带,机架、小机头为齿轮和链条。

4.2故障一

4.2.1故障现象

机架在旋转时有刺耳杂音,速度时快时慢。

4.2.2故障分析与检修

经仔细排查,电动机100 VDC供电电压正常, 机架配重正常,齿轮和链条的咬合度较好,在齿轮箱处加注润滑油后刺耳杂音减弱,但机架仍不能保持匀速运动。将齿轮箱拆下并打开,发现其内部的润滑油已经固化,且碎屑较多,将其更换后故障排除。

4.3故障二

4.3.1故障现象

机器在运行中钨门不能到达预设位置。

4.3.2故障分析与检修

首先检查电动机电压是否正常、刹车是否正常, 用手控器驱动钨门时,应能听到电磁铁吸合的声音。 如果电动机和刹车均正常,则故障多系传动机构污垢沉积、阻力过大导致。用酒精或清洁润滑油清除钨门丝杆上的灰尘、油脂后再涂上防辐射黄油,此外还需将连动杆的扁平轴承加油润滑。

5小结

机械系统运动方案设计 篇5

2.1在机械结构零部件的链接方面

机械结构设计过程中，会用到很多零部件，而对零部件的链接，不同的链接方式，其效果和作用也不相同.例如，应用较多的零部件链接模式，间接链接和直接链接.在实际运用时，会出现相差较大的表现.不过在运动力学的核心指导思想上，机械结构设计中的关键要素在根本上是相同的.例如，很多机械结构，通过观测力矩的不同变化，然后计算不同联接点之间的摩擦力和压力，根据这些数据就可以合理的选择零部件的链接方式，并对零部件的材料选择、工艺制作等，提出更加的科学建议.运动力学在精确计算下，能够为机械零部件的指标性选择，提供更加有力的理论支撑.在一些工业机械设备中，常见到由于动力输出、链接方式的不恰当，容易导致结构整体功能发挥不出来，或者是动力传输效率低下，这些都与运动力学的运用情况有关，合理的运动力学应用设计，能够提高机械设备的`运作效率.对于减少不合理的动力输出减损，提高传输效率，有着很重要的作用.

2.2指导合理解决零部件的损耗

机械结构包含丰富的零部件，机械结构整体作用的发挥，主要是依靠零部件的运动实现的.而在对机械零部件进行操作环节，由于各种零件之间会产生摩擦，所以摩擦损耗几乎是不可避免的.在这种情况下，运动力学的原理和理念，就可以发挥非常重要的指引作用.通过借助运动力学的机械运动理论，根据机械机构中的零部件在摩擦运动中的实际做功情况，可以比较精确的计算不同结构部位的损耗系数.机械结构设计如果掌握了各种零部件比较精确的损耗系数，则会在零部件的材质选择、调试保养方式方面，进一步提高水平，从而降低机械结构的损耗程度，延长使用寿命.在一些比较重要的精密机械结构中，例如，医疗设备、分析仪器等，里面往往有一些容易损耗的材料，如果相关的结构的力学设计不合理，会导致局部作用力的偏大失衡，其结构就是导致一些抗磨性较差的部件发生损坏，从而影响实际使用效果.因此，通过对运动力学应用的科学分析，梳理每一个结构部件的运动力学应用情况，对存在问题的，要进行调整优化.

3机械结构设计中，运动力学的常用设计准则

3.1要能够满足力学的各方面综合要求

机械结构的设计，是一项比较复杂、系统的工作，而在设计过程中，很多地方运用到运动力学原理以及其他方面的物理力学原理.这就要求在设计机械结构时，要综合考虑各种情况下，力学原理的使用准则.例如，对于在使用时，不断运动的机械结构，要考虑运动力学在不同结构部位运用是否合理，机械结构自身的强度、运转速度等，都会影响运动力学原理的最终表现效果.机械设备在运转作业时，不同的结构部位，其所受到的作用力不同，也会使得结构部件的抗疲劳性能发生变化，从这个角度来说，在研究运动力学应用的同时，也需要考虑到材料力学、疲劳力学以及其他可能发生的物理变化的，在综合各方面要求的基础上，通过合理的设计，发挥运用力学的综合指导作用，提高机械结构设计的合理性.

3.2创新机械结构的设计理念

传动机械仓库管理系统设计及开发 篇6

【摘 要】仓库管理是企业管理非常重要的一个环节，是企业商品供应链上最为基本也是较为重要的一环，对于一个生产企业来说，做好仓库管理工作意义非凡，不仅可以减少资源浪费、缩短原材料、半成品和成品的滞留时间、提高生产效率、防止缺货现象的发生。今天我们将就仓库管理的重要性引出UML这一概念，然后具体探讨基于UML的传动机械仓库管理系统的建模与开发。

【关键词】传动机械仓库管理系统；设计；开发

1.仓库管理和仓库管理系统

对于一个企业来说，仓储在企业的整个供应链中起着至关重要的作用，如果不能保证正确的进货和库存控制及发货，将会导致管理费用的增加，服务质量难以得到保证，从而影响企业的竞争力。传统简单、静态的仓储管理已无法保证企业各种资源的高效利用。如今的仓库作业和库存控制作业已十分复杂化多样化，仅靠人工记忆和手工录入，不但费时费力，而且容易出错，给企业带来巨大损失。

企业仓库管理系统是一款标准化、智能化过程导向管理的仓库管理软件，它结合了众多知名企业的实际情况和管理经验，能够准确、高效地管理跟踪客户订单、采购订单、以及仓库的综合管理。仓库管理系统的基本结构可以概括为四大部件，即信息源、信息处理器、信息用户和信息管理者。因此，一个成功的管理信息系统应该具有可靠的硬件、实用的软件、强有力的现代化管理水平。具体讲，管理信息系统的三大支柱是：计算机网络、数据库和现代化的管理，这三打支柱称为管理信息系统的扩展部件。

2.关于UML的概念

Unified Modeling Language （UML）又称统一建模语言或标准建模语言，是始于1997年一个OMG标准，它是一个支持模型化和软件系统开发的图形化语言，为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持，包括由需求分析到规格，到构造和配置。 面向对象的分析与设计（OOA&D;，OOAD）方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮，UML是这个高潮的产物。它不仅统一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法，而且对其作了进一步的发展，并最终统一为大众所接受的标准建模语言。

3.系统UML静态模型设计

3.1入库流程分析

（1）货物到达后，站台值班员组织卸货，大致清点品种、件数，编写《物资到站日报》，送至收货组；

（2）收货组根据《物资到站日报表》核对验收货物，分配库位，填写《码单》。

（3）客户《货物明细单》到达后，填写《入库单》。核对《码单》、《货物明细单》，《入库单》，如出现差错，返客户《货物异常报告》。

（4）总经办审核记帐后，生成《帐卡》、《入库收费单》，数据不再允许改动。

3.2出库库流程分析

（1）客户在入库时提供提货样单，用户持提货单至发货组，要求提货。调度员核实提货单的合法性，填写《出库单》，显示相关业务号信息，如果有层次，则显示层次信息，并修改层次信息；如果是一个业务号的尾货则给出尾货提示。然后向用户出具《出库收费单》，同时生成《派车单》，并派保管员准备发货。

（2）保管员持《派车单》组织货物装运，记录实出货物信息，填写《码单出库信息表》 。

（3）用户缴费后，保管员开具出门证给用户。

（4）总经办审核记帐后，生成保管收费单。

（5）一批货物全部出库后，保管员将《帐卡》、《提货单》、《码单》送至总经办核实平帐后，存档。

3.3系统的静态结构模型主要包括用例图（Usecasediagram）、类图（Classdiagram）、对象图（Objectdiagram）、包图（Packagediagram）、构件图（Componentdiagram）和配置图（Deploymentdiagram），其中最主要的是用例图、类图和对象图。

3.3.1系统用例分析

系统用例模型用于描述对系统的外部执行者（通常是系统的用户，某些情况下也可以使使用系统服务的其他程序）来说，系统所能提供的功能。在需求分析阶段，经系统开发者和用户充分沟通后，可以建立用例模型，明确系统需求的具体规格。对仓库管理系统而言，根据目前农产品物资仓库的建设现状以及仓库管理的一般规定，系统通常需要以下4类角色：仓库管理员：通常负责管理仓库货物的出库、入库，以及相关的登记，并对仓库的货物进行管理；系统管理员：主要负责维护仓库管理系统。由于系统中不同的用户具有不同的权限，因此还应该设置一个用户管理用例对用户权限进行管理。

3.3.2类图设计

对设计工作流的输入是分析工作流的产品。在设计工作流期间，对这些产品进行迭代和增量，直到它们处于一种可以被程序员利用的格式为止。这种迭代和增量的主要方面是标示操作，并把它们分配给合适的类。系统中各种类的结构和相互间的关系一般可用类图进行描述。多个类之间的关联、依赖、泛化和包含等关系，以及每个类的属性、方法等，均可以使用类图进行清晰、详细的描述。本文以身份验证用例类图和入库管理类图为例简要介绍类图设计。

（1）身份验证用例类图设计。系统的大部分操作均需进行身份验证，以确定用户所具有的权限。为提供用户名和密码输入窗口，所以系统应调用方法DisplayIdentifieationUI（）以给出UI界面。UI接收到用户名和密码后，需调用SubmitNamePassword（）方法将数据提交至服务端。服务端应对用户身份进行验证，利用身份验证控制流对接受到的用户名和密码进行校验，成功后在生成用户权限表。根据用户权限情况，系统应显示不同的用户后台管理界面。该界面使用DisPlaySystemUl（）方法实现。而如果校验失败，则应使用DisPlayErrow（）方法向用户给出一个错误提示。

（2）入库管理类图。对要入库的物资装备进行入库操作时，首先应使用FreightLotExcess（）方法获取仓库中剩余的货位数量和位置等信息，然后使用DisplayInDepotManagementUI（）显示入库管理窗口。在剩余货位足以支持物资入库时，用户方可录入物资入库信息。系统对入库信息应使用ExamineItem（）进行数据的合法性和完整性校验，校验通过后对数据进行编码并调用SubmitInDepotInfo（）将数据存入数据库。

4.小结

在使用UML对软件系统建模时，首先可以根据用户的需求建立系统的需求模型，此阶段可以使用用例图。然后根据需求建立系统的静态模型，此阶段可以使用类图和对象图。后续为了描述系统的行为可以建立一些系统的动态模型，此阶段可以使用状态图、活动图、顺序图和协作图。

系统开发是一个很复杂的过程，如何将这个复杂过程让客户和开发人员快速的、清楚的理解，使他们能够在开发过程中更好地协作和沟通，提高工作效率，是一个必须关注的问题。UML就是解决上述问题的产物，它提供的模型图都非常的形象化，使用这些模型图可以从各个方面描述软件开发，有效地降低软件的复杂性，为用户和开发人员在软件开发过程中的活动带来方便。 [科]

【参考文献】

[1]朱旭东.软件过程与CMM[J].安徽大学学报（自然科学版），2003（02）.

[2]黄梅荪，程慧霞，吴必文.基于UML统一软件开发过程的研究和实践[J].安徽大学学报（自然科学版），2003（03）.

机械系统运动方案设计 篇7

当前的机械电子技术被广泛应用到了机械手领域, 机械手的应用范围越来越大, 完成的工作也越来越复杂。随着应用性的加强, 单一机械手已经无法胜任越来越复杂的工作, 很多工作需要多个机械手配合完成, 这样可以节省大量工作时间, 同时也最大程度地保证了其工作效率, 并减少了重复性的劳动。在实际应用中, 双机械手协调系统是多机械手协调系统中最常见、需求量最大的一种类型。由2个机械手配合完成一些较为复杂的工作, 能够很好地解决单一机械手中出现的无配合、准确性低、复杂度低等问题, 从而可大幅度地解放人力。随着工作环境的复杂化, 对双机械手的协调性也提出了更高的要求。当前需要解决的问题就是双机械手的协调工作问题, 其中里面又涉及到碰撞检测、报警检测等一系列问题, 因此解决起来有一定难度。为此, 本文提出一种双机械手协调运动控制方法, 该方法采用一种集散控制原理, 运用协调控制体系对2个机械手协调工作中的误差和时延进行消除, 以保证机械手协调工作中的稳定性和可靠性。实验表明, 这种设计方法能够很好地解决动作碰撞的弊端。

1 系统结构

1.1 分散控制与集中控制

采用集中控制和分散控制策略的机械手, 其控制系统各具优势。分散控制可以实现同步信息采集并给出处理信号, 使控制系统具有强大的灵活性。但由于系统信息不完整, 分散控制系统不适合处理偏差大且需要及时纠偏的任务。相反, 集中控制系统有稳定的控制中心, 其信息采集、信息处理和纠偏检测由控制中心统一协调规划, 可以保证系统的整体一致性, 完成需要较高协调度的任务。但是采用集中控制策略的系统, 其运算输出、信号输入输出过程中会产生更多的数据和信息, 容易造成计算机处理系统崩溃, 所以集中控制系统对计算机的硬件要求较高。在现实应用的机械手系统中, 如何实现完整的信息采集、数据处理和协调多机械手之间的行动, 问题就更为突出。

1.2 集散控制

机械手连接中采用集中控制和分布式控制相结合的方式可以克服集中式控制和分布式控制存在的问题, 最大限度地发挥其优势。为了使机械手的工作更加合理, 对机械手的任务进行合理的分配, 使机械手能够独立或者相互配合着完成工作, 避免由于控制不一致带来的碰撞问题, 从而使机械手能够较为灵活地完成多个复杂的任务, 提高其运行的效率和工作的灵活性。集中控制可以采用分层结构, 从上而下完成控制工作, 中央控制中心采用PC电脑远程控制, 通过中间的控制中间层与最低层的机械手进行信息通信, 完成控制和监控。机械手最为重要的是解决以下几个问题: (1) 计算机与机械手、机械手与机械手之间的通讯问题, 如计算机与机械手的通讯, 多机械手之间同步、异步的操作以及机械手协调作业的执行。 (2) 双机械手坐标标定问题。本项目控制系统采用集散控制, 建立了一个分层递阶的三级结构机械手协调控制系统, 较好地解决了上述问题, 成功地进行了双机械手的协调控制。

1.3 协调控制体系结构

根据集散控制理论, 本项目设计的分层递阶结构系统框图如图1所示。

机械手的控制过程是一个较为复杂的过程, 双机械手的控制更为复杂, 从上而下一共分为3层:控制站、机械手控制柜、机械手手臂。其中远程控制系统采用嵌入式设计, 主要采用基本的PC控制原理, 通过中间层的控制站完成对机械手的控制。由于是双机系统, 因此在机械手的协调工作过程中, 必须要使机械手不发生碰撞。中间层起到承上启下和协调的作用, 控制单元的设计必须保证同步性、一致性和协调性。最上层为监控和自动控制层, 对机械手的各项运动指标进行监控, 并且及时报警, 完成远程监控的功能, 也可以完成机械手的运动跟踪、运动估计、运动方向计算、执行位置闭环、过速保护、伺服控制、轨迹平滑等功能。

1.4 双机械手协调的坐标系

2个机械手的坐标系不同, 必须统一坐标系才能保证2个机械手的行为都在同一个平面内。坐标系和机械手的位置也有一定的关系, 如果2个机械手处在不同的位置, 那么坐标系也会发生相应的变化, 这里2个机械手的中轴线是相互平行的, 坐标轴是重合的。坐标系以主机械手的坐标系为空间坐标系。2个机械手建立在同一个坐标系下, 这样可以保证机械手的行动在同一个平面内。在空间中, 可以通过设定各个坐标轴的坐标, 保证坐标轴的稳定和可靠, 协调各个机械手的动作, 且无需转换坐标系, 即可保证动作在同一平面内。

2 实验结果分析

当前的机械手协调工作中存在信号延迟, 从而造成动作滞后、碰撞等问题。为了验证本文提出的双机械手协调运动控制方法的效果, 笔者做了对比实验, 实验中采用传统的配合方法和本文的配合方法, 构造机械手协调工作中可能存在碰撞冲突的区域, 运用双机械手协调工作的实验原理, 分别计算2个机械手的运动路径。两者采用不同的运动路径, 运动中途可能存在碰撞。其运动效果如图2所示。

图2 (c) 为传统控制方法下得到的结果, 可以看出发生了较为明显的碰撞, 而图2 (d) 中的本文算法却成功地避免了碰撞的发生, 获得了较好的效果。在存在碰撞区域的情况下, 通常的处理方法是: (1) 不运行。 (2) 分别独立运行。采用改进的方法相对于传统控制方法, 其效率提高了40.7%, 证明了改进方法的有效性。

3 结语

通过以上实验结果可以看出, 本文方法下的实验结果与传统方法的实验结果相比, 在避免碰撞问题上起到了很好的作用, 从而为大型机械手臂协调工作中存在的碰撞问题提供了一个可行的解决方法。

摘要：针对当前机械手协调工作中存在的信号延迟造成的动作滞后、碰撞等问题, 提出了一种双机械手协调运动控制方法, 该方法采用一种集散控制原理, 运用协调控制系统对2个机械手协调工作中出现的误差和时延进行消除, 以保证机械手协调工作中的稳定性和可靠性。实验表明, 这种设计方法能够很好地解决动作碰撞的弊端。

关键词：机械手,协调运动,碰撞

参考文献

[1]李莉敏, 朱红萍, 阮和根, 等.足球机器人挑球机构优化设计[J].计算机辅助工程, 2009, 18 (2)

[2]李实, 徐旭明, 叶榛, 等.国际机器人足球比赛及其相关技术[J].机器人, 2000, 22 (5)

[3]王骄, 王涛, 罗艳红, 等.中国象棋计算机博弈系统评估函数的自适应遗传算法实现[J].东北大学学报 (自然科学版) , 2005 (10)

[4]陈国良, 黄心汉, 王敏.平面复杂边缘的双机器人协调跟踪运动规划研究[J].控制与决策, 2005 (12)

机械系统运动方案设计 篇8

UG NX是Unigraphics Solutions公司推出的计算机辅助设计、制造和分析软件，即CAD/CAM/CAE集成工程软件系统，具有强大的设计、加工、分析能力。为汽车、机械、航天、航空、家电、医疗仪器和工模具等工业的生产提供了有力软件工具。

传统机械设计中，设计者仅仅是做出零件的二维或三维的装配图，无法准确地预测出机构在运行过程中各零件是否干涉、驱动力是否满足、运动部件的行程能否达到要求等细节问题。设计者对机构在运转中的情况停留在理论计算以及自己对机构的分析评估，在此条件下设计的机构不免会存在各种隐患和漏洞。制造完成的机构在运行中往往面临各种问题，可能需要对机构某部件再次进行设计或改进，影响了工作效率。

在机械设计过程中引入运动仿真功能可以直接避免上述种种问题。设计者可以对仿真中发现的问题进行相应的处理，同时也能够为用户提供更加直观更有说服力的动画产品演示。

2 UG软件设计压铸机取料机械手

下面仅以UG软件设计压铸机取料机械手为例，说明运动仿真模拟分析过程(如图1)。

以设计压铸机取料机械手例(图2)，介绍UG软件在机构设计中的应用，可实现各模块的无缝连接。它具有强大的实体建模、曲面造型、工程制图以及装配功能，可以进行运动仿真分析。

2.1 步骤1：实体建模

UG具有完善的实体建模功能，可根据零件外形先绘制草图，添加尺寸约束，然后通过拉伸、旋转、扫面、放样、倒角、切分、布尔运算、拔模、抽壳等命令完成各零部件的设计，每个部件采用参数化设计，在装配过程中发现问题后可直接修改零件图中的尺寸参数。

该机构包括旋转装置、水平移动装置、竖直移动装置，涉及到的运动方式是电机驱动、齿轮齿条传动、皮带轮传动、气缸驱动等。建模的零件包括：机架、电机、气缸、齿轮、齿条、卡爪、直线导轨等70个，绘制完成后放入统一的文件夹内(如图3、4、5)。

2.2 步骤2：零件的虚拟装配

UG软件提供了3种装配方法，第一种是自底向上装配。就是先创建部件几何模型，再组合成子装配，最后生成装配部件的装配方法，这是最常用的一种方法(如图6);第二种是自顶向下装配。直接在装配层建立零件模型，然后边装配边建立其他部件模型，也就是在装配文件中创建模型。第三种是混合装配。即根据装配设计的需要，进行自底向上装配和自顶向下装配混合使用的装配方法。本文所涉及的机构采用混合装配方式，装配完成后为每个部件着色。

2.3 步骤3：机构运动仿真

了解了机构运动的原理及需要设定的运动副情况后，可以进行运动仿真。在UG主界面中选择菜单开始/运动仿真，即可进入UG“运动仿真”主界面。新建一个运动学仿真，并在弹出的“主模型到仿真的配对条件转换”对话框中选择“否”。

步骤：(1)创建连杆，即相对运动部件集合，本例中根据各部件相互运动方式需建立7个连杆，包括固定机架部分、水平横移部分、竖直运动部分、机械手水平旋转部分、机械手竖直旋转部分、卡爪开闭部分。(2)在零件的外观模型建立好以后，需要对模型的材料特性进行加载，包括材料力学特性、弹性模量、泊松比、密度等(如图7)。(3)根据机构动作设定运动副，本例中用到的运动副包括滑动副、旋转副、齿轮副、齿轮齿条副。(4)定位每个运动副的时间函数，在一个周期内完成所有的运动。

2.4步骤4:添加机构载荷

向机构添加一定的外载荷, 使整个机构工作在真实的工程状态下, 尽可能地使其运动状态与真实的情况相吻合。一个被应用的力设置在机构的两连杆之间、运动副上或者是连杆与机架之间, 可以被用来模拟两个零件之间的弹性连接, 模拟弹簧和阻尼的状态, 以及传动力与原动力等多种零件之间的相互作用 (如图8) 。

2.5 步骤5：运动驱动、关节运动和运动仿真

运动驱动是机构产生运动的原动力，根据运动驱动的形式，机构将产生相应的运动形式。UG运动的驱动有多种方式：恒定驱动、简谐运动驱动、运动函数、关节运动驱动。取料机械手采用恒定转速驱动，电机的调速系统采用恒转速调速。在设定时需要设置转速，我们的机构为低速机构，齿轮转速为10r/min。UG/Motion的运动分析类型有两类：静态分析和动力学分析(如图9、10)所示。

在设置分析结算参数时，需要设定运动时间和解算步数，解算步数越多，分析结果越准确，但需要的时间也就越长。

2.6 步骤6：仿真结果输出

当机构做运动仿真分析时，内部将生成一组输出数据表，表里面记录了整个仿真过程中各个零件的位移、速度、加速度和受力信息。分析完成后，可以将这些信息以Excel表格和图形的方式输出。根据这些结果，分析机构的力学性能，并作出改进(如图11、12、13)。

3 结论

借助UG软件强大的实体建模功能进行建模，并利运动仿真分析，主要对此机构进行运动学分析。利用UG软件的运动仿真功能，可以得出机构的运动动画，更加形象地了解其运动方式，并可以输出仿真的结果，可以生成所有运动副位移、速度随时间的变化情况。通过这些工作为进一步进行动力学分析奠定了基础，对缩短产品开发周期，提高产品质量和性能有积极的作用。

参考文献

机械系统运动方案设计 篇9

现代机械制造行业中冲压加工占据重要位置,相比其它加工工艺,低工件成本、好的表面质量、高生产率、高精度尺寸、良好互换性是其特点。依托装置在压力机上的模具,冲压加工对模具内板料施加压力,致板料发生塑性变形或被分离,最终得到所需制造产品的形状与尺寸。

1 冲压中的机械运动概论

冲压时,会执行有效分离不同类型的板料与各种坯料的工作,并对上述原料进行变形操作,以构成预想的部件。模具与冲压设备是主要冲压工具,冲压工作原理是借助模具与冲压设备施加压力至板料与坯料上,以致转变板料与坯料形状,最终得到性能、形状与尺寸都达到机械标准的部件。在生产当中,立式冲床是主要使用的设备,而冲压当中,上下运动与互相运动是主要的冲压运动方式。

从机械运动角度来看,它参与整个冲压过程,因为有不同的机械运动形式,也就有不同的冲压。此外,冲压的不同,机械运动形式也就不同,也就有相对较多的数量,这就决定在设计冲压模具时,务必依据不同的机械运动间产生的作用力,有效控制机械运动,以保证冲压模具设计实现有效化与合理化。此外,设计冲压模具当中,要结合实际状况,操作与管理不同类型的机械运动,让产品可以达到实际所需要求。

从冲压运动角度来看,上下运动是主要运用的运动类型。但是,采用运动形式需要根据实际情况来确定。在设计模具的楔结构与转销结构时,不适合运用上下运动方式。所以,需要于模具当中,变上述结构的主运动方式为水平运动方式,于模具内转变运动方式。通常来说,设计模具之时,难免会碰到结构复杂的类型,由于结构设计较为复杂,所以所包括的内容也就很多,所以,需要投入大量的物力与财力,方可确保模具设计的合理性与科学性。尽管设计复杂结构,需要较高成本,但是可以有效规定产品形状与尺寸,以利于生产的部件达到实际要求,就这点来看,这些复杂的结构本身还是有着不少的应用价值。

2 把控冲裁模具的机械运动

冲裁工艺拥有的基本运动就是实现卸料板与板料的最先接触性处理,并实施压实处置于卸料板与板料间。在冲裁运动当中,尤其要注意的就是卸料板运动,冲裁质量的优劣直接受到卸料板运动情况的好坏的制约。所以,需要有效控制卸料板的运动情况,最大程度上确保其优先板料实现接触。接着需要保证压实处理做到位,让冲裁工件切断面的质量得到保证,从而可以较好提高冲裁工件尺寸的精准度,并让工件表面平整度得到保持,以延长模具的使用年限。

在部分区域会有显著突出的冲压件,针对这种情况,如果要保证这些冲压件的质量,就得在相应的凹模上,实施加设压型凸模处置。此外,需要注意的是配备对应的弹簧力,以保证凹模上设定的压型凸模可以最早接触到板料,增加压实力度,让板料得以顺利完成变形工序。再下来,通过虫孔运动处置落料,在这一过程当中,为减少投入的资金,就要参考实际情况,恰当地取消某个模具,以保证局部凸起的冲压件的质量。

部分弯曲冲压件的孔,会有更高的孔位精准度的标准。因此,就这些冲压件来说,要想较好保证它们的孔位精准度,就务必要设计斜楔结构。设计当中,需要注意弯曲度的保证,再实施冲孔处置,从水平方向开始冲孔运动,这样以来,孔位就可以保证在最佳的方位上。

3 优化冲裁模具机械运动设计

在保证冲裁件质量的基础之上,要想处理好模具的问题,就需要于凸凹模卸料板上增加凸出限位块数量,以致待冲裁完成之后,凹模卸料板可以优先从落料凹模中推出冲裁件,然后再由凸凹模卸料板从凸凹模中推出废料,成功分离工件与废料。针对部分冲裁件有局部较大凸起的问题,就需要于落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模数量,同时施于充分的弹力,以保障卸料板上压型凸模与板料成功接触后,让板料发生变形,以实现压型目标,再开始落料冲孔运动,从而让工步模具减少一个,以提升效率,减少成本。针对部分同一模具之中会出现多个冲孔凸模的情况,由于冲裁当中,各个凸模都会同时运作,所需冲裁力也就更大,不利于冲裁,甚至没有吨位足够的压力机,可以运用长度不等的凸模(以阶梯方式布置),当冲裁时,可以分时段开展冲孔运动,以显著减少冲裁力。如图1所示。

4 结束语

模具设计质量会直接影响到国家工业化发展水平。实施冲压工艺时,务必遵循机械运动原理,并较好控制相应的机械运动,让冲压件的质量得到提高,以生产出满足实际要求的产品。

摘要：冲压当中必定会有机械运动产生,为确保冲压件质量,让模具充分完成冲压当中所产生的机械动动,设计模具务必要严格掌控好机械运动。本文从冲压中的机械运动概论、把控冲裁模具的机械运动、优化冲裁模具机械运动设计等三个方面进行阐述,以期为控制与设计工作提供可借鉴意见。

关键词：冲裁模具,设计,机械运动,控制,优化设计

参考文献

[1]谢晓丽.冲裁模具设计中机械运动的控制与优化设计[J].科技资讯,2012(16):96.

[2]殷秋菊.试析冲压模具设计中对机械运动的控制和运用[J].科技与企业,2015(15):247.

[3]韩顺连.浅谈冲压模具设计中对机械运动的控制和运用[J].网友世界,2013(Z1):37.

机械系统运动方案设计 篇10

以德国为主的欧洲工业国高度重视对并联运动机械(PKM)的研究,研究内容包括PKM的元件开发、产品结构设计、校正与控制及应用。据报道,目前在全世界范围内应用获得较为成功的有40余种PKM,主要集中在欧洲工业国,主要应用于模具制造、航空制造、汽车工程及成形技术方面,并不断有新的PKM机型和新的解决方案出现,以满足以高速、高精度、高生产率、小投资以及个性化、柔性化为特征的现代制造生产系统的需要。笔者近年在德国斯图加特大学机床研究所(IFW)访问工作,对德国PKM的最新技术和发展进行研修,回国后已介绍了以德国为主的欧洲工业国开展并联运动机械的研究活动及其总体研究成果进展[1],并分别以专题的形式介绍了这些并联运动机械在工业中的应用情况[2]、误差建模及校正技术[3]等方面的研究成果。本文综合评述目前国内外,尤其是以德国为主的欧洲工业国在PKM机械结构综合与设计方面的最新研究成果,希望这些国外的研究成果对我国自主开展基于PKM的先进装备制造业的原始创新、集成创新以及消化引进吸收再创新研究有所借鉴和启示。

1 结构综合与新机型设计

除了众所周知的、最早获得成功应用的Hexpod及Delta外,还有Neos Robotics公司的Tricept系列、DS-Technology公司的Ecospeed Sprint机床、Index公司的V100机床以及Metron公司的Pentapod P-800机床也先后投入工业应用并获得了较大成功,同时又有很多新型PKM模型和样机相继出现。这一方面反映了PKM的优点逐渐被人们认识,其缺点可以克服或避免;另一方面,反映了现代制造业对PKM的认可,并使PKM逐渐占据其应有的地位。本文分别按自由度由多到少的顺序来评述这些新型的PKM及其开发背景。

1.1 六自由度PKM

开发高速铣削新机床的目的不仅要减少切削时间而且要减少非切削时间以提高切削过程的生产率,其特征是具有一个高速进给机构和一个高转速主轴运动。基于这种考虑,文献[4]开发了一种新型铣床,它基于一种用作高速进给定位的六自由度并联结构,6个滚珠丝杆推杆用作驱动;推杆的一端连接在具有一个二自由度关节的滑块上,推杆的另一端连接在一个具有三自由度关节的末端操作器上;6个推杆悬挂于机架,并吊起末端操作器。该机床达到了100m/min的最大进给速度、14.7m/s2的最大加速度、1μm的直线重复精度以及16μm的圆周精度。

1.2 五自由度PKM

并联结构存在以下三个缺点:①工作空间与机床总体积之比太小;②五轴机床主轴的倾角完全依赖于其位置,而现有传统机床的NC程序通常对PKM无效;③最大倾角受限制,不能实现五面加工。为此,Metrom公司突破常规的优化机械结构的方法,开发出一种新颖的五环-五杆的P-800型机床,它不仅能使机床主轴实现摆角至90°、五轴NC程序在不需附加修改和不需考虑依赖位置的角度约束下运行,而且在整个机械结构设计上尽可能实现模块化,这是并联运动机床发展的一个里程碑式的进展[5]。

文献[6]开发了一种用于轻型操作的改进型五轴PKM,它由一个三自由度基于Tripod并由一条被动腿加强的PKM,以及具有X向、Y向移动的一个龙门框架两部分组成,这种结构能保证系统满足五轴加工功能。被动腿是为了增加整个系统的总体刚度,它是一个具有伸缩杆的三自由度串联操作手。该文献还根据刚度模型,对其进行了设计优化。

文献[7]开发了一种高速机床——HitaSTT,它的主机构为一全新的四自由度并联运动机构,第5个转动操作的自由度由另一个单独的转动架提供,该机构的市场推广和应用较为成功,这是由于考虑了以下几点:①机床功能的多样化,它能用于铣削、车削、去毛刺、激光切割、水切割等;②主轴在工作空间中能绕B轴转120°;③床身基础尺寸小于1200mm×800mm;④在整个工作空间内平均受载均匀;⑤加速度可达5g(g为重力加速度);⑥加工精度达10μm;⑦制造成本低。已有的PKM运动结构,都不能满足上述要求,特别是主轴不能绕B轴转120°,而结构刚度又不能在工作空间任一点上得到保证。

文献[8]设计了一种用于零件圆锥外表面精密加工的新型五自由度PKM结构,具有3个转动自由度和2个移动自由度。

1.3 四自由度PKM

文献[9]提出了一种新型四自由度并联机构,用于较大工作空间内重型零件的加工,它的4个自由度是3个移动和1个绕给定轴的转动。该文献还导出了关于速度和力传递的输入输出关系模型,评估了内部受力模型和刚度模型。文献[10]设计了一种新型的六腿四自由度并联平台操作手,安装于底座的滑块作为驱动器,运动平台能实现两个方向的移动和绕两个轴的转动,建立了运动学模型并描述了正逆解运动学转换及6种奇异性情况分析。

1.4 三自由度PKM

文献[11]提出一种用于磨床的三自由度球面并联机构的新设计。该结构中运动平台和基础平台是通过三条结构链来连接的,每条结构链由两个转动副和一个球关节串联而成,这样,三条腿组合就能产生绕一个固定点的转动运动。这个固定点的空间位置可以在末端操作器的外部或内部,取决于机构所要求的应用要求,且各种不同的几何构型布置就能产生凹面或凸面的球面。

文献[12]开发了一种新型简易的三自由度平移并联机构Triptereon,具有I-O方程线性且完全解耦、运动学计算简化、工作空间内没有奇异位置、工作空间成直角箱型等显著优点,并给出了一台样机。

文献[13]设计了一种正交滑块式、用于制造业的新型三自由度并联运动机床,这种机械具有三个固定正交的线性关节,以及一个具有固定姿态能在卡迪逊X-Y-Z空间移动的运动平台,这种正交性的主要好处是利用了PPP串联机械的优点(较规则的卡迪逊工作空间、性能均匀)以及杆的并联运动布置的优点(惯性小、动态性能好),这些优点使得这种正交结构非常适合于高速加工业的应用。

从以上看出,三自由度、五自由度的PKM在工业上逐渐得到重视。

2 结构与参数优化设计及方法

并联机构天生具有刚度好、定位准确、高速等优点,为了得到这些好的性能,在设计过程中除了要选择合适的机械结构外,还要选择正确的尺寸,因为对并联结构来说,因尺寸变化引起的性能变化要比传统的串联结构要大得多,而同时,对已给定的PKM,选择最佳的运动尺寸是一件较难的工作,这是因为:①要考虑的大多数性能在整个机构的六维工作空间内往往表现很不均匀,在大多数情况下,往往只能仅对机构的一个姿态来计算其性能准则,即局部性能,但为了评估机构的全局性能值,就需要有效的算法;②通常需要考虑很多不同的性能,但这些性能规范往往对于设计参数是相互矛盾的。针对众多的不同的设计变量,又由于不同的应用具有不同的性能要求,不可能存在一个通用的优化工具。因此,只能针对特定的应用背景进行优化。

结构优化的内容包括:总体结构布置的优化(即铰链布置和杆长确定等)及零部件结构的优化(即拓扑形状、结构尺寸参数优化等)。优化的目标包括结构刚度、工作空间、总体尺寸及加速度等。优化设计方法和工具则采用多实体仿真技术、有限元分析、三维CAD等集成的软件。经过优化后,工作空间明显增加、结构紧凑、质量减小等,这对提高PKM机床的运动学及动力学性能都具有重要意义。

2.1 基于工作性能的结构与参数优化

文献[14]在对末端具有纯平移、纯球面或平移-球面混合运动的三自由度空间并联操作手的静态和动态特性进行分析后,讨论了操作手静态设计和动态设计之间的关系,据此提出了一种基于动力学性能的优化设计方法,即所谓的二步设计法。该方法能为给定的工作选取具有较好静态和动态性能的结构,并已被用于设计一纯平移并联操作手,且无论从静态和动态的观点来看,全局都是各向同性的。

众所周知,PKM机器中的驱动运动是非线性传递的,而且机器的位置对结构的工作特征具有决定性的作用。这样,非线性传递和对位置的依赖性使得并联机械结构和它的工作特性之间难以建立一个直接的关系。然而,工作空间是由杆的行程、关节的最大转角以及杆-杆、平台-杆之间的不碰撞来决定的,要精细完成杆系的分布以保证刀具中心能达到整个工作空间,必须由计算机辅助来完成。因此,在预定工作空间内如何开发一个具有最佳机械性能的PKM结构是人们关心的。为此,文献[15]介绍了一个用于Hexopod结构的基于工作空间的结构优化方法,它选择性地评估机械性能的有效指标,将工作空间作为初始要求,最后能提供静态和动态优化的合理的初始结构。

文献[16]介绍了PKM结构综合的一种方法,该方法能找到实现平台最大倾角的结构和增加刚度的结构,找到运动链中驱动杆和铰链的最佳位置等。

PKM机床因其较高的动力学性能和刚度为众人所知,但是,这些优点往往针对具体的应用场合且只有在这些机构被优化以后其优点才能体现出来。PKM的两个重要目标是机床的最大刚度以及最大工作空间,因此,PKM的优化策略必须是基于这两个竞争目标之间的某种妥协,结构综合就是要为待解决的任务找到一个合适的机械结构。文献[17]讨论了并联运动学机床的结构优化问题,介绍了一种设计PKM获得刚度优化的综合方法,即从大量PKM的系统分析开始,决定每个运动链的自由度,接着对每个与实际有关的运动链寻求一个优化刚度的结构。这样,这种结构的运动尺寸就可按要求的目标去进行尺寸优化。

针对并联机器人实际应用中工作空间对整个机器体积之比较小,以及在工作空间内会出现奇异性两个缺点,文献[18]提出了一个平面五杆并联结构,它用控制的方法让机器人从一个构型通过其奇异点,到达另一个不同的构型(运动学的另一个解)中继续工作,通过利用奇异性这种方式扩大了工作空间。最后,研发了采用这个新运动结构的抓放机器人样机,实验测试表明,这种设计方法是成功的。

由于机床特性很大程度上依赖于几何尺寸的适当选择,因此,参数确定和优化对于PKM起着重要作用。文献[19]提出由必要的过程要求(如工作空间尺寸和运动灵巧性)导出全局约束优化问题,且将机床的总成本作为目标函数,对并联机器进行设计,并运用区间分析来解决这一问题,给出了一些应用于Linapod结构后所得的结论。

文献[20]对面向任务的并联运动学多目标优化问题进行了研究,认为目前对运动构型的许多评定工作是利用可达工作空间内的极限特性,在决定了对所有可达工作空间位姿的性能值后,就选择极限值并将之作为简化的性能指标转化为优化值,这些极限值通常位于工作空间的边界或附近。如果考虑在这些区域内使用,很显然,其使用与优化过程所表示的重要性不相称。除了整个工作空间上性能值的集成处理外,位置依赖的程度常由具体的应用所决定,这可通过并联运动学的优化来解决,或者说,需要一个比较好的性能评价方法来开发具有较高生产率的PKM机床。根据在工作空间区域所达速度和加速度的集成准则来决定生产时间的长短,也可通过正确工作空间位置的优化来达到,而这个位置不一定位于工作空间边界或附近。

文献[21]研究并联运动学静态和动态性能的计算机辅助优化问题,其目的是为了改善整个机械性能所进行的PKM建模和优化过程,讨论了两种不同的优化方法及其在设计过程中的集成应用。第一种方法利用多体仿真来优化关节的位置,优化后的运动构型可使整个结构刚度增加。其他指标,如传动率、工作空间、设计空间或加速度性能,对决定优化结构来说也很重要,这就产生了多目标优化问题,常用的基于梯度的算法是无效的。因此要用一种简易的无梯度算法进行优化,或者将这一算法耦合或者集成于多体仿真软件之中。第二种方法是将拓扑优化用于PKM元件设计的一种方法。采用该方法时,元件的优化设计就可在给定设计空间中决定下来。假定具有恒定的边界条件,则采用通用的拓扑优化方法,对具有较高加速度的元件来说十分关键。考虑载荷和系统性能的变化,需要将拓扑优化和多体仿真结合起来,这也使得能检测到PKM工作空间中的关键位置并在优化中给于考虑。上述这种结合可用ADAMS软件和优化软件MSC来实现。

最近几年尽管提出了许多基于奇异值和条件数的优化准则,然而一旦机器人混合有移动和转动的运动,运用这些数值就必须极其谨慎。为此,文献[22]提出一种方法,其主要思想是基于将转换矩阵分成不同的子矩阵,并映射到每个所研究问题上的多准则优化。利用遗传算法解决非线性优化问题已经引起了研究人员越来越多的关注,但需要研究一种具有能有效选择、重组路径和观察优化收敛终止方法,并且参数和目标约束能自动适应的新型遗传算法。为了充分证明其优点,该文献对六自由度六足虫机构进行了演示。最后,提出了一种新型动态可重构PKM,它具有较好的性能特征。

文献[23]介绍了用于龙门结构五轴机床的二自由度平动并联机构的性能分析和优化设计方法,它不同于应用于并联机构中的传统优化方法,而是利用特性图表,提出了一种在大部分工业设计中可被应用的设计方法。这种方法对一个设计问题提出一个最优范围,而不是一个唯一解,这一最优范围包括了所有可能的优化解,设计者可非常方便地从中选择一个适合自己设计条件的优化设计方案。

2.2 优化方法及其设计工具开发

由于PKM开发的复杂性以及为了在设计时能预测机床的性能并进行优化,以建模、仿真和虚拟现实为主要内容的设计工具和环境(仿真、软件系统)的开发是上述PKM构型设计、参数综合与优化过程中一个不可缺少的环节,特别是并联机床多样性的总体布局、运动参数的选择对工作空间大小与形状、静动态特性都有很大的影响,只有通过计算机反复验算、论证,才能得到优化解。因此,开发具有一定通用性的仿真设计软件和工具也显得同样必要。

文献[24]介绍了运用有限元(FEA)、混合多体仿真(MBS)技术进行机床拓扑优化的过程,考虑在不同的关键工作空间位置上优化机床零件,进一步在优化过程中考虑载荷的变化和系统性能,并以Cross Hiiller公司的GENIU 500机床作为应用例子,表明这一优化方法具有很好的潜力。

文献[25]开发了一种混合仿真系统,它由一个高精度的用于计算工艺切削力的五轴铣削加工仿真软件和一个关于工艺切削力生产及热误差仿真软件组成。这一混合仿真系统基于NC程序内部给定的刀具轨迹,计算来自于工件/刀具相互作用的切削力,然后,计算在这些力作用下由于在不同位置因刚度变化而引起的机械结构变形。这两步通过整个NC程序以离散的方式完成,在处理NC数据时,刀具运动也转换为机器的轴运动以计算热变形,热变形再返回到加工仿真中来,以便将机械误差反馈至下个加工力的计算。通过热变形或加工切削力导致的刀具中心的偏差,可优化原始的NC数据来加工更精确的表面。

由于大量的非线性运动参数和外界条件(如奇异性、碰撞等)影响,PKM的结构布置是一个复杂的优化过程。除了一些非常对称的设计外,这种优化问题不能进行数值求解,因为机械结构的设计及其每个零件的尺寸,不仅对工作体积而且对静态、动态性能(如刚度和自然辨率等)有很大的影响。鉴于此,文献[26]开发了一种仿真工具,用于计算PKM机床的重要特性,像工作体积、刚度和自然频率等。其中,计算PKM工作体积的算法是基于Octret方法,它避免了常用离散化算法的缺点,即集中计算,无精度要求,或者基于算法的数值计算,即不需要考虑边界条件;而基于计算的多刚体仿真,仅依赖PKM结构的各个元件的几何和物理特性,就能计算PKM的静态和动态性能。最后,该文献用“六足滑块”的“Linapod”机床作为例子,来仿真证实说明,PKM在工作空间内的特性完全取决于TCP以及刀具的姿态,仿真和实例的比较证实了这种仿真方法的有效性和精确性。

文献[27]研发了一个“Hexapand-”的优化程序,用于设计和优化六足虫结构的布置,以及六足虫的运动学和静力学计算。它给用户提供了一个手动工具来修改六足虫布置的主要参数,同时能估算工作平台的许多输出指标;利用“Hexapand-”程序,已开发出一个用于飞机工业的加工中心,该加工中心已由Savelov机床制造公司来生产制造。

文献[28]提出了一种用于PKM设计的集成方法,并开发了一个集成的分析和设计工具(IADT),它能在短时间内评估PKM结构,并用于已经在制鞋工业上应用的轻载铣削操作的三自由度PKM的优化设计中。

Virtual Reality (VR)技术作为有效的研究和设计手段,可减少新型机床的研发时间,在VR中产生的数据重新回到全局的开发过程中,通过组合模块方法可以研制出大量并联运动机床。文献[29]开发了一个用于快速构造并联运动机床的基于虚拟现实的设计工具——VRAx,它是通过将开发及设计过程和VR技术结合起来实现的,在一种沉浸环境且透明的研制过程中直接实现客户的要求,从PKM机床部件的构成要素子系统开始,就可以进行机床结构优化,将这种方法应用到结构设计和优化上就可以很快创造出基本模型,并可以将这些模型相互比较。该文献以Clavel-Tripod为例说明上述过程,并讨论了一些新的优化方法与VRAx系统的集成。

3 方案设计方法的新动向

笔者注意到PKM系统的方案设计已出现了方法学的趋势[1],认为至今已初步形成三个方面,即混合运动机械学(HKM)、冗余并联运动学(R-PKM)及PKM可重构设计方法学(R-PKM),这三方面都是在大量应用实践的基础上总结提练而成的,是应用催生了理论的发展,进一步又转过来指导PKM的应用实践。

3.1 混合运动机械方法学

众所周知,工业生产不断要求提高动力学性能和精度。具有串联运动学特征的现代机床,主要利用了轻型结构作为运动元件和机床元件,如直接线性驱动、高速滚珠轴承以及具有同步驱动的电机主轴,然而要想进一步提高动力学性能,其技术和经济性几乎都受到限制。

解决上述限制的办法之一就是应用近年来兴起的PKM系统,其主要优点是:理论上具有与串联运动学相等或更好的动力学性能;PKM的刚度不仅由元件刚度决定,而且也与作用于末端位置的不同运动回路上的分布载荷有关。另一方面,PKM也有特定的缺点,如较高的复杂性和较低的工作空间与机床体积之比。于是,人们就提出集中串并联运动学的优点,开发由开链和闭链组合成的混合运动机床。这种方法的基本要点是通过运动特性来分解刀具中心点(TCP)的运动轨迹,并把部分运动由对应于机床的某一子结构来完成,基本的思路是通过一个小范围的动作和大范围的运动来共同执行完成一个特定的加工任务。例如,对金属切削过程特别是铣削任务,小范围动作应当产生较高的速度峰值,这一要求较高动力学性能的运动可用一个并联子结构来实现,并将该结构安装于能行走在整个工作空间的串联框架上,以完成大范围的运动,这样,整个HKM就可以在一个较大的工作空间内工作了。

文献[30]提出了一种几何的、动态的混合运动学综合方法。从几何观点看,首先分析要用于完成特定工作所需的自由度,并将之分别分配至串并联子结构。如DS-Technologic公司的ECOSPEED加工中心以及NessRobotis公司的TRICEP-Kinematic机床就是很好的混合运动机械例子。

三维弯曲成形工艺对机床运动的精度、加速度和工作空间提出了很高的要求,并联运动结构能满足前两者的要求,但工作空间尺寸和仰角大小受到了限制。文献[31]通过结合串联和并联机床轴把操作和加工能力集成于一个机床,它由一个四轴并联运动学和一个串联运动链相结合而成,实现了用轻型挤压结构进行操作和加工的集成功能,消除了上述弊端。为了找到机床轴的优化配置,该文献还提出了一种提高集成两种不同功能的协作潜力的系统方法。

3.2 冗余并联运动学

文献[32]提出了冗余并联运动学的概念,冗余并联运动学是指动平台由多于平台自由度数目的腿驱动(即冗余地驱动)。冗余驱动的PKM可消除并联运动学的基本问题,使其工作空间中不会出现奇异位置且能增大工作空间。除此外还可以大大改善机械性能,如刚度和动力学性能可大大增加,运动精度可得到改善等。另外,具有冗余驱动测量的冗余驱动为在线测定也提供了在线校正以及温度变化的补偿。

文献[32]还给出了一些冗余PKM的例子,表明冗余驱动具有很大的革新潜力,如可增加50%的刚度和动力学能力。但冗余PKM的设计及其控制较复杂,需要相应的冗余设计方法学来指导。

3.3 PKM可重构设计方法学

将可重构生产过程(RPP)的概念以及产品生命周期理论应用于PKM的设计,并提出将设计RPP的方法学应用于可模块化和可快速重构并联运动机械设计[33],所提出的方法学已经被运用于一种六自由度PKM样机的重构,且末端操作手的移动和转动运动是解耦的。

4 性能评估与分析

PKM从驱动器到运动平台的运动传递模型有的很简单,有的较复杂,考虑静态质量补偿和关节的几何误差,能补偿相关的偏差,但是增加了计算量和软件的复杂性;而利用一个简单模型并进行运动校正,又往往得不到较好的精度,其原因是简化的模型不能如实地反映实际情况。文献[34]就精度而言,对Linapod基本运动结构复杂和简化二种模型进行了比较,讨论了它们各自的长处和缺点,并进行了仿真研究。

文献[35]对一种四自由度并联机构样机用作铣削机床的可行性进行了评估。分析了其拓扑特征、可能产生的奇异构型和工作空间评估等一些重要的运动学问题;还对刀具、工件以及机构本身之间的相互作用进行了研究。选择工件材料、切削刀具和工艺参数后,动力学模型就能计算切削力、驱动器功率和关节力的大小,根据所要加工的元件,为分析加工过程的合理性提供必须的信息。

精度是PKM的一个重要特性,除非在一些特殊位置上,要估算传感器误差对位置误差的影响较难。文献[36]提出了一种计算PKM在一个工作空间或一条轨迹上的最差精度的方法,即利用一种机器人逆雅可比矩阵的分析形式,对在给定工作空间或轨迹上的位置误差是否超过给定临界值时进行有效估计。这种方法具有通用性,可适应于任何PKM或任何类型的工作空间或n维参数的轨迹。

高速切削的引入对机床运动学提出了新的要求,进给率高时要实现精确路径,要求机床驱动有更高的加速度以及机床结构有更高的刚度。因此,最大程度地减小运动质量成为实现机械性能技术可行的一个主要条件。文献[37]通过考虑六足虫机床机械方面的重要因素,分析了如何显著提高生产机床的机械性能,根据所要求的机械特性,对六足虫机床的元件所要达到的要求进行了评估,对具有特定性能要求的驱动杆件和铰链的技术可行性进行了检测,导出了一些设计准则,最后,提出了一些设计方案。

提高机床的实际和实时刚度模型对PKM设计者来说非常重要,基于矩阵结构分析的方法已经在结构分析领域得到有效的使用,但还没有广泛应用于PKM的刚度分析。文献[38]提供了一种简单、系统的基于应变能分析的方法,来计算具有细长杆件的PKM分析型刚度矩阵,并用一个三自由度冗余并联结构来阐述这种分析方法,然后再引入FEA模型来证实导出模型所得的结论是正确的。

文献[39]评估和总结了一些用来评估自由度为3或少于3的并联机械手的局部或全局动力特性的新指标,然后提出了从动力学角度比较不同机械手机构的一种新方法,它对一个给定结构为了实现其最好的动力特性而对其进行优化时非常有用。

5 结论

本文介绍了目前国内外PKM机械结构综合与设计方面的最新研究成果与进展。一方面,为适应新的应用背景,不断提出并设计新机型;另一方面,针对现有的某种PKM,专门研制设计、分析仿真软件,进行高效的结构与参数优化及性能评估与改善;更进一步地,在大量实践与理论探索的基础上,较系统地阐述了用于开发混合运动机械、冗余并联运动学以及可重构的设计方法学等系统方案设计新动向,这些都是PKM设计研究领域内最富有创造性的成果。

综观这些设计开发成功的PKM,我们还可看到:使用的PKM的自由度数目在逐渐趋向于三自由度和五自由度[1],逐渐采用集串联和并联优点的混合结构PKM ,即利用平面PKM或少自由度简单空间PKM,再串联一个或两个转动轴或移动轴(导轨)组成的混合物理系统成为人们探索应用的目标[40]。另外,成功的PKM应用都是针对某一特定应用的场合,选用了正确的机型设计构思,再通过优化不断地将PKM特性优势发挥出来。因此,应该在既能发挥PKM的突出优点(如高速动力学性能)又能避免技术缺点(如不要求大的工作空间的场合)的应用背景下应用PKM结构作为新的先进制造装备或产业装备。

机械手模型的PLC控制系统设计 篇11

【摘要】 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

【关键词】 机械手 自动控制 PLC技术

Manipulator model of PLC control system design

LIU Bin LIU Chun-mao YIN She-hui （Henan Polytechnic Institute， Nanyang Henan 473000）

Abstract： The manipulator can imitate the manpower and the arm certain movement functions， with by presses the fixed routine to capture， the transporting thing ‘or operation tool automatic operation installment. It may replace humans strenuous labor by to realize the production mechanization and the automation， can operate under the harmful environment by protects the personal safety. Thus widely applies in department and so on machine manufacture， metallurgy， electron， light industry and atomic energy.

Key words： Manipulator；servo control ；PLC technology

一、机械手概述

机械手是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

二、机械手的发展史

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing system）和柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）中重要一环。

三、工业机械手在生产中的应用

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

PLC控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制，逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统，软硬件开发工作量较少，输出带负载能力和抗干扰能力强，可靠性好，环境适应能力强，成本较为高。 工业控制计算机具备完善的控制功能，软件丰富，执行速度快，软件开发工作量较多，硬件开发工作量较少，执行速度较慢，环境适应力一半，可靠性好，成本较为高。

结语：PLC机械手已在现代工业发展中扮演着一个重要的角色。随着机械手应用的普及，机械手向着专用化，机械结构向模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向着多元化的方向发展，PLC应用技术为现代机械控制发挥了极大的作用，大大地改善了工人的劳动条件，显著提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。在PLC控制的过程中，还有许多的问题需要解决，PLC在机械手开发中的开发应用还有很大的空间。

参 考 文 献

[1] 张建民.工业机械人[M].北京：北京理工大学出版社，1992

[2] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

机械系统运动方案设计 篇12

机械设计离不开力学理论, 在传统的机械结构设计的过程中, 通常更加注重对于静态力学的应用。因为在传统的理念上, 更多的将机械定义为静态工作状态, 因此, 在考量摩擦力与压力等过程中, 主要针对静态状态进行力学分析。依据静态力学进行相应的机械结构设计。但是, 由于市场上的机械产品种类越来越多, 对于机械结构设计的要求也越来越高。运动力学的理论也逐步被应用到机械结构设计中。本文通过分析机械结构设计中的技术与特点, 并探讨运用力学在机械结构设计中的应用。

1机械结构设计特点与设计要素

机械结构设计一般会重点考量两点标准, 一是机械结构设计的设计特点, 二是机械设计的设计要素。这两个方面是机械结构设计的灵魂, 缺一不可。以下将针对这两个方面进行重点分析。

1.1机械结构设计的设计特点分析

分析机械结构设计的特点一般从以下几个方面进行切入:

首先, 机械结构设计是一体的设计过程, 其中包括设计的思考, 结构绘图, 以及设计计算等内容。因此, 对于机械结构设计而言, 其具有问题多, 最具体, 而且工作量最大的特点。这个工作阶段里, 设计人员需要针对整个机械结构设计的过程中进行分析, 从而针对结构设计进行相应的探讨, 保证整个设计阶段完善, 准确。

其次, 机械结构设计的涉及问题比较复杂, 而且存在多解性。也就是同一个设计要求, 可以通过不同的设计方案来实现。那么, 就需要在设计的过程中, 寻找最优的设计方案, 从而保证机械结构设计最符合要求。

最后, 机械结构设计环节是整个机械设计过程中最为活跃的环节之一, 由于设计的过程中需要对设计方案进行反复的修改与更正, 因此, 对于机械结构设计而言, 就需要进行灵活掌握, 不能一成不变的进行。

1.2机械结构设计的要素分析

机械结构的设计要素, 是机械结构设计中最为重要的环节之一, 其中涉及的理论基础与技术应用也是最为复杂的。那么, 在实际的机械结构设计中, 需要进行怎么样的实施方法才可以保证机械结构设计符合要求呢?

第一, 机械结构设计的几何要素分析;机械结构设计是一项非常精密的设计技术, 由于机械的零部件之间的咬合与安排都需要非常精密的位置关系设定。因此, 对于几何要素而言, 是机械结构设计中必不可少的。由于机械的零件通常有不同的面, 那么在进行设计的过程中, 就需要进行完善的考量, 才可以保证在零件的不同接触面上, 都可以进行合理的安排。

第二, 机械结构构件之间的联接要素;以上对于单个零件的设计问题进行了分析, 那么实际上在进行机械结构设计过程中, 零件之间的联接问题才是最为重要的。对于不同零件之间的功能面如何进行有效的联接, 才是机械结构设计的重点要素。一般情况下, 在进行机械结构设计过程中, 零件之间的联接分为两种情况。第一是零件之间的直接联接, 第二是零件之间的间接联接。不同的联接方式, 在设计方面就需要进行周全的考量。其中, 直接联接设计中, 需要重点考量零件之间的功能面的缝隙问题。如何可以讲摩擦降到最低, 从而降低功能损耗。再者, 就是间接联接, 间接联接一般需要考量联动轴的设计。

第三, 机械结构设计中构件的材料要素;在机械结构设计中, 零部件的材料选择是非常重要的, 尤其是不同设备中的不同位置的零件安全, 也起到了至关重要的作用。一般情况下, 一些易磨损的位置, 需要安置耐损耗的零件, 以此来保证机械设备的正常运行。

2运动力学在机械结果设计中的应用

以上对于机械结构设计的特点和要素进行详细的分析, 从而可以明确在机械结构设计中, 需要注意的事项以及材料的选择。那么, 在技术层面上, 如何才可以保证机械结构设计的高效性和安全性呢?那么就需要在技术理论层面上进行适当的改革与创新, 从而保证在设计的过程中, 满足对机械设备的质量要求。

2.1运动力学在机械结构设计中的必要性分析

由于传统的静态力学已经无法满足现有市场对于机械设备的要求, 而且在机械结构设计的过程中, 依然存在动态力学分析, 尤其是在力矩呈现非线性变化的情况下, 就需要进行相应的运动力学分析。因此, 在机械结构设计的过程中, 适当引用运动力学, 是机械结构设计的发展方向, 尤其是在计算机技术发簪的今天, 运动力学在三维模拟与仿真中也可以得到相应的开发。

2.2运动力学在机械结构设计中的技术应用

运动力学在机械结构设计中主要有两个方面的应用, 其一是在零部件的联接方面。零部件的联接可以是直接联接, 也可以是间接联接。两者是存在一定的差异的, 当然运动力学在设计中的应用也会有所不同。利用力矩的变化, 通过计算不同联接点的摩擦力和压力, 从而可以了解到不同的节点的压力和零件的材料选择等。这些重要的选择性指标以及力学运算, 都是通过运动力学进行核算的。也就是说, 在技术层面上, 运动力学是决定零件的选材和位置安排的。其二, 在机械使用过程中的损耗问题也需要运用到运动力学理念和技术。行动损耗与摩擦损耗, 通常是最常见的损耗现象, 而利用运动力学理论就可以根据运动做功来计算机出损耗系数, 并对损耗的程度进行相应的预判, 进而对损耗位置进行安置, 从而实现了科学选材的特点。

总之, 充分利用运动力学, 是保证机械结构设计的基础, 也是未来的发展方向。

3结语

本文通过对运动力学的原理以及适用范围进行分析, 合理的与机械结构设计进行对比分析。由于机械产品的使用越来越投入到运动设备中, 从而需要在机械结果的设计过程中, 同样考虑机械的运动问题。因此, 在机械结构的设计过程中, 运动力学理论起到了非常重要的作用。机械产品应该跟随市场的需求进行相应改革与创新。

摘要：随着现代工业的发展, 机械产品的需求越来越大, 其质量要求也越来越高。对于机械结构设计而言, 在一定程度上有着十分重要的影响作用。根据市场需求与质量要求, 机械产品的结构设计需要从不同的教学进行分析, 从而保证机械使用过程中的高效性与安全性。两者在一定程度上决定机械产品的质量标准。本文从运动力学的角度, 探讨机械结构设计中, 运动力学的应用, 并对机械结构设计提出相应的改进意见。

关键词：运动力学,机械结构设计,应用

参考文献

[1]于冬梅, 高波, 杨磊。汽车发动机连杆加工精益制造技术研究[J].机械制造与设计, 2014 (04) :265-267.

[2]周文豪。机械设计制造及其自动化发展方向的研究[J].科技与企业, 2013 (07) :318-318.